信息技术下“超重与 失重”演示实验的改进

宋峰

摘 要：“超重与失重”是牛顿运动定律的重要应用。现行人教版教材对该部分内容的演示实验存在实验时间短暂且无法记录的硬伤，影响了学生对概念及本质的理解。文章利用信息化技术对传统的“超重与失重”演示实验做了一些改进，让学生学习更加直观，也让实验更有说服力。

关键词：模拟电梯运行装置;“科学日志”APP;超重;失重

高中物理必修1“牛顿第二定律的应用——超重与失重”部分内容安排在牛顿运动定律的教学内容之后，要求学生在了解的基础上进一步认识超重与失重现象[1]。在本节内容的教学中，笔者发现学生对于超重失重的本质总是局限在记忆层面，要通过习题反复地训练才能有所成效。个人觉得这种方式违背了新课标中要着重培养和提高学生物理学科核心素养的理念。笔者经过不断地思考和总结发现，学生之所以会出现这样的情况，多数是因为教师在实际教学中喜欢用网络上现成的电梯里关于超重与失重的实验视频或者照搬现行教材中的演示实验来展现实验现象。然而对于以上的两种实验演示方式，虽然效果明显，但是都存在实验现象短暂且无法记录的硬伤，如果此时再快速地进入到理论分析阶段，必然导致学生概念模糊，本质理解困难。

一、实验设计思路

鉴于以上分析，笔者自制了模拟电梯运行的简易装置[2]，并利用DIS力学传感器及谷歌开发的一款智能手机APP“科学日志”来记录物体运动过程中相关的力和加速度，这样就可以把物理学量以图像的形式直观地展现在学生面前，此时再结合图像并进行理论分析就必然会起到良好的效果。

二、自制模拟电梯运行装置

（一）所需实验器材

自制木架（高1.4 m，底座规格：宽36cm，长60cm，横梁间距50cm）、定滑轮2个（间距40cm）、砝码（200g）、重锤（315.8g）、力学传感器（48.5g）、塑料夹子（28g）、智能手机（245.3g）、缓冲海绵1块、尼龙细绳若干。

（二）实验装置制作的选材及注意点

实验中之所以采用木架主要出于两方面考虑：1.整个装置在运行中必须足够稳定，采用木架既保证了稳定性同时也兼具器材轻量化特性。2.木架便于制作，整个装置只需要采用废旧木料，然后用木工枪钉固定即可。

滑轮间距要考虑到物体与竖直木板的距离，否则手机在运动过程中若出现旋转会触及木板导致摩擦，影响实验图像。

夹子首先在选材上要考虑其质量，否则装置右侧重物过重会导致运动过程缩短记录图像不清晰。其次实验中，最好在夹子的两端固定海绵胶，这样可以保证手机在运行中尽量地保持水平状态，以便得到最佳的实验图像。

缓冲海绵在实验中也起到非常重要的作用，其厚度不宜过厚（本實验采用的厚度为2cm），否则会导致左侧重物落地时有反弹现象，造成物体间的碰撞影响实验效果。

实验装置如图1

三、“科学日志”软件介绍

“科学日志”是一款由谷歌开发的智能手机APP，该款APP使用手机内置的传感器记录声音、光、运动，并将信号转化为直观的数据。目前该款应用只有安卓版，可以选择中文界面。“科学日志”具有3大功能：测量光的照度，声音的强度，运动的加速度（分x、y、z 三个方向）。测量原理APP中均有介绍。这里对测量加速度的原理进行一下简介：智能手机内部装有加速计传感器，加速计内部有处于悬浮状态的微粒，微粒可以自由移动，当手机运动状态发生变化时，微粒的运动状态也随之变化，通过计算微粒的移动情况，手机中的加速计可以检测自身的运动状态和方向变化。“科学日志”操作容易，选择测量功能后，点击运行按钮，即可自动记录数据，并将测量数据用图像直观显示，而且可以读取各个时刻测量的数据。

在本实验中，笔者主要使用的是“加速计Z轴”传感器，之所以使用该方向的传感器，主要是因为它可以实时记录手机在竖直方向的运动情况而不受其水平及旋转运动的影响，这样就可以在一定程度上减少该实验的误差。“加速计Z轴”传感器简介如图2。鉴于重力加速度的影响，“加速计Z轴”传感器在手机水平静止放置时就会显示数字9.8m/s2。在实验中，我们可以将手机处在水平稳定状态时显示的加速度数值（笔者实验时手机所显示的当地加速度为9.9m/s2）默认为调零值，如图3所示。

四、实验原理

本实验装置利用绳子对力学传感器向上的拉力代替电梯地板对物体向上的支持力。通过改变实验装置左侧的物体配重来达到模拟电梯运行中加速上升，减速上升及加速下降，减速下降的不同运动状态，并通过DIS力学传感器及智能手机来记录物体在运动过程中力的大小及加速度的方向来探究超重与失重现象的本质。原理如图4、图5。

五、实验操作过程

1.用约3m的尼龙细绳将砝码m1与重锤m2及右侧传感器和手机按图1所示进行连接。为了保证加速与减速有合理的时间，砝码m1与重锤m2之间的距离要适中（经过反复实验，两者之间的距离为45cm效果较好）。

2.用手将装置中左侧重锤m2提升至距离地面约50cm处（此时砝码m1距离地面约为95cm）。注意此时为了防止绳子的张力突变，需要待到整个装置处于稳定状态后才可以释放。根据配重的设计，左侧砝码m1与重锤m2质量之和为518.5g大于装置右侧重物M（传感器、塑料夹、智能手机）的质量321.8g，可以带动其加速上升。

3.接着如图5重锤m2接触地面，此时砝码m1与重锤m2之间的连接绳已处于松弛状态，其作用力为零。装置左侧砝码m1的质量为200g小于装置右侧重物M的质量。根据牛顿运动定律分析可知，此时右侧重物M处在减速上升状态。

六、实验数据及图像观察

由以上实验过程，我们发现模拟电梯运行的简易装置可以通过一次释放完成两个不同状态的运动过程。这时，我们对DIS力学传感器及手机中“科学日志”APP记录的相关物理学量进行比较和分析。实验图像如图6。

首先我们观察图像，需要向学生解释说明的是：计时开始时物体并没有运动，此时整个装置处在水平稳定状态。装置右侧重物上升过程大约开始于第6秒结束于第7.5秒，整个过程持续时间近1.5秒。图像后面的锯齿状已经是右侧重物处在震动状态，这时的图像是无意义的，可以忽略。

接着带领学生观察力的图像，由图像可以看出，物体在上升过程中，传感器所测量的绳子拉力出现了大于和小于物体本身重力的数值（这里如果学生未使用过力的传感器就还需要介绍下传感器的调零过程，由于笔者之前已经在牛顿第三定律时演示过力学传感器，所以此处未做过多介绍），此时再引出超重与失重的概念，学生就会欣然地接受这样的过程。

理解了超重与失重的概念之后，再带领学生观察手机所记录的加速度图像，讲解图像中由于重力加速度的影响，显示的原始值为9.9m/s2，在本实验中我们需要把这个数值当作调零值。那么，当图像出现在调零值得上方时为正值代表此时的加速度方向向上，反之则表示加速度方向向下。

最后，我把两幅图放在一起投影到教室的交互大屏上，将力的图像与加速度图像进行对比分析。此时，可以放手让学生去自主分析得出：当物体的加速度向上时会出现超重现象，加速度向下时会出现失重现象。因为图像的直观记录以及对比分析，学生会很轻松得出上述结论。之后，我向学生表示以上为我们实验观察的定性结果，还需要我们加以理论的验证，看看是否可以通过理论探究也得到同样的结论。此时，学生的探究积极性已经被充分调动。很快，学生在我的引导下用牛顿运动定律理论得出了产生超重与失重的原因。接着我再加以分部引导学生思考三个问题：1.物体下降过程中是否也会出现类似的超重与失重现象？2.物体的超重与失重现象是否与速度（运动）方向有关？3.综合以上两个问题，你能否总结出物体会在什么情况下分别出现超重与失重现象？这样的课堂教学就遵循了“发现问题——实验探究——理论验证——总结归纳”的探究过程，也符合学生对于新知识的认知构建。

七、总结与反思

（一）本实验改进的创新之处

1.改进了学生的学习方式。本节课通过对演示实验的观察和图像分析，让学生可以自主得出相关结论而不是被迫地接受新知识。

2.实驗仪器制作简单。整个实验装置的制作可以说十分简便，实验材料选择废旧木料也充分地体现了废物利用的思想。

3.实验现象直观可信。由于采用了以上的实验方式，让超重与失重这个相对比较短暂的实现现象得以记录。而且，在教室里当场演示也让这个实验比学生观看的网络实验视频更加有可信度和说服力。

4.与信息技术相结合。本实验的最大亮点是将信息技术与物理实验完美结合，通过力传感器与手机APP实现了将短暂的实验现象变为恒久的实验数据。

（二）本实验改进的遗憾之处

展现过程不完全。本实验的最大遗憾之处是：当右侧重物下降时，左侧本来已经落地的重锤m2被突然拉起时，绳子间的张力会发生突变，这就造成重物减速下降过程演示效果不理想，不能得到较为完美的图像。

八、实验教学设计的一点感悟

物理教学应体现其基本特征：以创设问题情境为切入点，以观察实验事实为基础，以提升学生思维能力为核心，以培养学生探究能力为重点。超重与失重的演示实验设计在创设问题情境和实验观察及理论探究上做了精心设计，保留了传统的对电梯内超重与失重问题的探究，将复杂的电梯装置进行了简化，以便在课堂上可以直接对学生进行展示，提高了该实验的说服力。通过信息技术的利用，将直观的实验图像或数据展现在教室的交互一体机大屏上，提升了实验观察效果。整节课的教学中以学生为主体，自主观察、总结归纳、理论探究、得出结论。极大地提高了学生分析问题、解决问题的能力。

在对信息技术与物理教学相整合时，必须考虑有效性和可行性。在实际教学过程中，笔者运用了交互性电子白板课件“希沃白板5”、视频展台及DIS信息技术等手段，电脑等USB接口都布满了数据线，由于各种技术手段切换频率较高，若稍有不慎就会导致操作出错，这就需要教师对各种技术能熟练操作使用并具备当场解决多媒体技术问题的能力。在应用现代化技术辅助教学的探索之路上，对多样实验器材及多种信息化技术的优化整合，是一个值得思考与实践的大问题。

参考文献

[1]人民教育出版社。普通高中物理课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社，2003：12.

[2]王震，汪玉莹.自制模拟电梯演示仪，理解超重失重概念[J].物理教师，2017，38（8）：45-47，45.

[3]朱敏亮，肖化.基于滑轮组的超重失重演示仪[J].中学物理教学参考，2015（15）：29-30.

[4]弭宝国，王硕军.对超重、失重演示实验的改进[J].大学物理，2006，25（5）：32-33.